樁基礎方案優化設計

徐建平（中冶長天國際工程有限責任公司上海分公司，上海201999）

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樁基礎方案優化設計

徐建平（中冶長天國際工程有限責任公司上海分公司，上海201999）

在卵、碎石土層間隔分布，粉土、粘土夾雜的條件下，樁基設計方案和工程前試樁檢驗非常重要。通過方案的技術、經濟性比較和試樁檢測，不但可以取得可靠設計數據，優化設計，更能確保工程質量、安全、進度和風險控制，實現設計優化目標。

鉆孔灌注樁；擴底鉆孔灌注樁；鉆孔灌注樁+樁端后注漿

1　工程概況

項目擬建場地位于溫州永嘉縣上塘鎮西后村，主要由18 棟23～26層高層住宅樓、數棟1～2層與高層住宅連體的商業用房以及全基地一層地下室組成。高層住宅為鋼筋混凝土剪力墻結構，商業及地下室為鋼筋混凝土框架結構。原設計樁基采用φ800mm、長70～80m的鉆孔灌注樁，進行工程前試驗鉆孔時，發生了成孔質量不佳，穿越深部卵、碎石土層時，有塌孔和損壞鉆頭的情況，為確保樁基工程質量、安全和施工順利，擬對樁基方案做進一步優化。根據浙江省浙中地質工程勘察院提供的《工程地質勘察報告》分析，可行設計方案有如下五種：①PHC預應力管樁+管腔內灌漿；②鉆孔灌注樁；③鉆孔灌注樁+樁端后注漿；④擴底鉆孔灌注樁；⑤擠擴支盤灌注樁。

對于方案①，雖可通過引孔方式穿越淺部卵石等硬土層，順利沉樁，進入⑤21持力層，并通過管腔內灌注混凝土來提高抗壓承載力，且具有工期短，干作業場地整潔，不受氣候條件影響，投資成本低等特點，但由于管樁自身強度和連接接頭數量限制，單樁承載力不高且提高有限，抗拔樁不宜采用，溫州地區多山地管樁應用有限，管樁生產單位少，采購不便，故放棄使用。對于方案⑤，雖然擠擴支盤灌注樁在持力層厚度適宜、土層穩定性好時，可以形成多道支撐底盤來提高樁基承載力和有效控制建筑沉降，成本低，但溫州地區實際工程應用極少，施工單位缺少經驗，技術不熟悉，故放棄使用。

本文就余下的三種方案進行技術經濟比較，尋求最優樁基設計方案。

2　工程地質條件

工程場地土層分布情況是：①0層素填土（松散）-①層粘土或粉質粘土（可塑）-②1層淤泥（流塑）-②1′層圓礫（稍密）-③2層粘土（軟塑）-③2′層卵石（中密）-④2層粘土（軟塑）-④3層卵石（中密）-⑤2層粘土（可塑）-⑤2′層卵石（中密）-⑥2層粘土（可塑）-⑥3層含粘性土碎石（中密）-⑨1層含碎石粉質粘土（可塑、稍密）-⑨2層含碎石粉質粘土（可塑、稍密）-⑩1層全風化凝灰巖（風化劇烈）-⑩2層強風化凝灰巖巖（風化、裂隙發育）。根據其土層物理力學性能和土層厚度情況，可作為建筑基礎或樁基持力層的土層主要有④3、⑤2′、⑥3、⑨1、⑨2土層，其中④3埋深較淺，可作為淺基礎和承載力要求較低的樁基礎持力層。⑥3部分區域缺失或土層起伏大，不穩定，風化巖石土層⑩1⑩2埋深太深，裂隙發育，地勘數據不完整，不適宜作為持力層。主要土層承載力參數見表1。

3　樁基設計方案

根據地勘報告，場地土層分布復雜，起伏較大，加上建筑高度、尺度、層數、荷載不同，結構剪力墻、框架柱布置有所不同，因此，對建筑樁基類型、布樁方式、承載力及沉降控制、持力層選擇等也有所不同。樁直接布置在剪力墻或框架柱下部，結構傳力途徑直接、簡單，投資效益和技術效果最好。初步分析，在合理布樁條件下，單樁抗壓承載力特征值高層須達到3000～4500kN，商業及地下室須達到2000～2500kN，抗浮設計純地下室每框架柱下抗拔樁承載力特征值須達到900～1200kN。

3.1鉆孔灌注樁方案

表1　場地地基土承載力參數表

鉆孔施工時，根據卵石大小及密實度，采用螺桿樁機，能輕松旋鉆入卵石層，若卵石粒徑小，密實度差，則采用CFG樁機或長螺旋鉆機。為降低成孔風險，采用比重大（1.2左右）的泥漿護壁，在卵石層穿透后上提鉆具，連續澆灌高比重泥漿。

鉆孔灌注樁直徑600～800mm，其優勢是，可根據單樁承載力、基礎沉降控制及持力層，靈活選擇樁長和樁徑，短樁可以選擇⑤21為持力層，長樁可以選擇⑨2為持力層。缺點是，工期長，濕作業，場地環境差，可能產生縮頸、塌孔等，成孔檢驗和孔底清渣困難。特別是長樁，施工中更容易產生樁孔擴大、卵石層塌孔、埋錘機率高等隱患，注漿時，卵石層充盈系數大，一般在1.5～1.7。由于樁長孔深，不論沖擊鉆或回旋鉆，清孔后至灌注混凝土，交換工種間歇時間長，沉渣過厚，會導致樁基的后期沉降量增大。性能及經濟性對比詳見表2～3。

3.2擴底鉆孔灌注樁方案

擴底鉆孔灌注樁成樁工藝與鉆孔灌注樁基本一致，擴大頭直徑根據地質條件和施工裝備，以1.2～1.5m為宜，擴大頭高度以1.0～1.5m為宜。其優勢是，通過擴底，可以有效縮短樁長，提高單樁承載力，減少樁基沉降量，降低成孔風險。根據地質參數計算，本工程樁基屬于端承摩擦樁，在不擴底時，φ700mm及以上的鉆孔灌注樁樁端承載力是側阻摩擦力的2倍左右。為避免擴大頭計算提供的樁端承載力占比過大而發生實際單樁承載力不足的風險，以及為了更有效防止擴底段塌孔、縮孔，應嚴格控制擴底直徑與擴底高度。承載力數據以試樁檢測數據為基準綜合確定。擴底鉆孔灌注樁以④3、或⑤2′卵石層為持力層，區域不同，樁長22～36m，樁徑以φ600～700mm。性能及經濟性對比詳見表2～3。

表2　樁基技術性能比較

表3　樁基經濟性能比較

3.3鉆孔灌注樁+樁端后注漿方案

鉆孔灌注樁+樁底注漿，是在上述2種方案的基礎上，為更好規避成孔風險，又切實提高單樁承載力、控制基礎沉降，實現設計要求和目標的優化方案。其成孔、成樁工藝和鉆孔灌注樁一樣。樁端后注漿，可以合理選擇樁端持力層，有效減短樁長，降低成孔、成樁風險，大大提高單樁承載力，減少基礎沉降，節約工期，節省主材用量，降低成本。本工程以④3或⑤2′卵石層為樁基持力層，樁徑以φ600mm為主，區域不同，樁長20～38m。性能及經濟性對比詳見表2～3。

注漿采用高壓旋噴式注漿工藝，20MPa高壓泵，雙注漿管，采用φ35×3無縫鋼管加工制作，單節長度與鋼筋籠分節長度相同，無鋼筋籠段按最大起吊高度控制，即≥9m。以注入水泥量為主控，注漿壓力為副控。為防止卵石層坍塌，采用含固結物質成份好、比重較大的泥漿來充填卵石層，比重大礦物質采用重晶石粉、石粉、膨潤土等。

4　試樁及檢測情況

工程前試樁詳見表4，對有抗拔要求的，先按設計抗拔承載力特征值1.1倍且不高于地層參數計算值3%進行抗拔檢測，不破壞，抗拔檢測 7d后，再進行靜載檢測，加壓至破壞。

表4　工程前試樁樁基本情況

5　樁基設計方案優缺點列表（見表2～3）

6　樁基設計方案優選

從表2看，鉆孔灌注樁+樁端后注漿方案、擴底灌注樁方案具有較好的技術優勢，從表3看，性價比好的有φ600mm小直徑鉆孔灌注樁+樁端后注漿方案、擴底鉆孔灌注樁方案。根據表3所列結果，優化設計思路是，根據建筑單體實際情況，分別采取最合理設計方案。對商業建筑和純地下室，采用φ600mm小直徑鉆孔灌注樁+樁端后注漿方案，以④3或⑤2′卵石層為樁基持力層。對高層住宅采用擴底鉆孔灌注樁方案，樁長按單體結構計算和樁基布置，在滿足承載力及沉降控制要求的前提下確定，以⑤2′卵石層為樁基持力層。對個別因為淺部持力層不穩定或局部缺失的高層建筑，則采用φ700mm或φ800mm的鉆孔灌注樁長樁，以⑨2碎石粘土層為樁端持力層，樁長70～80m。

7　結論

（1）根據分析比較，小直徑鉆孔灌注樁+樁端后注漿方案、擴底鉆孔灌注樁方案，可以充分利用淺部卵石層作為樁基持力層，不但可以大大降低設計施工風險，有效節省投資，提高樁基性價比，而且還能有效控制基礎沉降，提高樁基承載力，滿足設計要求和建筑安全性能要求。

（2）采用擴底灌注樁和小直徑鉆孔灌注樁+樁端后注漿方案，使樁基及基礎工程取得了良好的社會經濟效益，大大減少了工程量，滿足了合理布樁要求，有效減小承臺尺度或基礎筏板厚度。據甲方提供，較原設計節約樁基工程建設工期4個月，節省建安投資總直接費31.8%。承臺及筏板按單體建筑承載力及沉降控制量身設計后，整個項目的基礎工程總投資較原設計節省12.92%，創優設計效果非常明顯。

［1］《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）［S］.

［2］《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）［S］.

［3］《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）［S］.

［4］王衛東，李永輝，吳江斌.上海中心大廈大直徑超長灌注樁現場試驗研究［J］.巖土工程學報，2011，33（12）：1817～1826.

徐建平（1965-），男，高級工程師，本科，主要從事建筑結構工作。

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2016-3-15